CC BY
11
DEVELOPMENT OF THE ELECTRODYNAMIC TRACTION MECHANISM THE MECHANISM OF COMPRESSION FOR CONDENSER ENERGY-STORAGE WELDING WITH PROGRAMM CHANGE OF FORCE OF COMPRESSION OF DETAILS BETWEEN ELECTRODES
On a base of the lead assaying and the executed account the constructive plan of an electrodynamic traction mechanism of the combined mechanism of compression for contact welding small-sized details with a unclosed contact zone, accordingly, picked and parameters of coils of a traction mechanism are spotted.
Keywords: condenser energy-storage welding, the mechanism of compression, an electrodynamic traction mechanism, the experimental setup, programming of force, the rated plan, the electric circuit.
УДК 621.791.039
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ КОНСТРУКЦИИ И РЕГУЛИРОВОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОГО ПРИВОДА МЕХАНИЗМА СЖАТИЯ
ДЛЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ Иванов Николай Иванович, к.т.н., доцент (e-mail: ni1949@mail.ru) Котов Сергей Сергеевич, магистрант Лобов Владислав Борисович, магистрант Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия
Разработана конструкция экспериментального испытательного стенда, позволившая по результатам проведенного исследования регулировочных характеристик электродинамических приводов, предназначенных для контактной сварки малогабаритных деталей, выбрать рациональную схему конструкции и основные параметры регулирования электродинамического привода.
Ключевые слова: конденсаторная сварка, механизм сжатия, электродинамический привод, экспериментальный стенд, программирование усилия, расчетная схема, электрическая схема, регулировочные характеристики.
В настоящее время при контактной сварке малогабаритных деталей с программированием усилия осадки нашли применение комбинированные механизмы сжатия, сочетающие в себе механические и электросиловые приводы [1-7]. Механическим приводом обычно является силовая пружина относительно небольшой жесткости, обеспечивающая создание статического усилия небольшой величины, позволяющего повысить роль контактного сопротивления в нагреве зоны сварки в начале протекания тока через соединяемые детали. Необходимый импульс динамического усилия осадки формируется электросиловым приводом, увеличивающим скорость нарастания усилия на электродах в период нагрева контакта до сварочной температуры. Эффективность использования электросилового привода в каж-
дом конкретном случае определяется тем, насколько его динамические свойства отвечают требованиям к процессу сварки, вытекающим из условий получения высококачественного сварного соединения.
При сварке соединений малогабаритных деталей с открытой зоной контакта, в связи с кратковременностью процесса, механизм сжатия должен обладать в момент достижения сварочной температуры достаточным быстродействием. С этой целью в комбинированных механизмах сжатия используется два типа электросиловых приводов - электромагнитный [3,5] и электродинамический [8].
Существенным недостатком электромагнитного привода, состоящего из разомкнутого магнитопровода, снабженного электрической катушкой, и якоря, соединенного с подвижным электродом сварочной установки, является повышенная индуктивность ферромагнитной массы, существенно влияющей динамику привода.
Электродинамический привод (в дальнейшем - ЭДП) основан на механическом взаимодействии проводников при протекании по ним электрического тока. Он отличается отсутствием механизмов, передающих усилие, относительно малым весом подвижных частей и более высокими динамическими свойствами. Благодаря этому управление ЭДП может выполняться простыми средствами с требуемой точностью синхронизации. Установлено, что энергетически наиболее выгодно выполнять ЭДП в виде двух многовитковых катушек [9], отталкивающихся одна от другой при протекании по ним противоположно направленных токов или притягивающихся друг к другу при протекании по ним токов в одном направлении. Эти две катушки располагаются параллельно друг другу с небольшим зазором. Одна из катушек неподвижна - жестко связана с корпусом установки. Другая катушка является подвижной и связана с подвижным электродом.
Вопросу проектирования и экспериментальному исследованию регулировочных характеристик ЭДП рациональной конструкции, предназначенному для сварки малогабаритных деталей в литературных источниках уделено мало внимания [8]. Это связано с отсутствием специальных расчетных методик проектирования, а также доступных для экспериментального исследования методик определения истинных значений регулировочных характеристик.
При проектировании ЭДП для контактной сварки Т-образных соединений малогабаритных деталей нами за основу была взята методика расчета, предложенная в работе [10] для стыковой машины, предназначенной для сварки сопротивлением алюминиевых проводов с расплавлением металла в стыке.
Наиболее важными параметрами ЭДП являются число витков катушек привода ш, ток I, проходящий через обмотки катушек, геометрические параметры сечения проводника, из которого выполнены витки катушек, и зазор между катушками А. Для расчета параметров катушек принята величина электродинамического усилия ^ = 20 даН и величина постоянного за-
зора между катушками Д= 1 мм. Принятая величина усилия соответствует динамическому усилию, которое ЭДП должен развивать в процессе сварки. Кроме того, выбрана прямоугольная геометрическая форма сечения витков катушек, являющаяся наиболее благоприятной при протекании тока, из-за взаимодействия проводников по всей ширине сечения.
В расчетах изменяли число витков в катушках от 2 до 20. Для каждого значения витков катушек рассчитывалась следующие характеристики:
• величина тока I, которая должна быть в каждой из катушек для создания требуемого усилия ^ = 20 даН;
• падение напряжения на катушках ик и мощность Рк, выделяемая на обмотках катушек при протекании по ним тока I;
• энергетический КПД ^ системы ЭДП-трансформатор источника питания.
Очевидно, что энергетически более выгодно применять ЭДП с таким числом витков катушек, при котором ток I и мощность Рк минимальны, а энергетический КПД ^ системы - по возможности больше. Результаты выполненных расчетов приведены в табл. 1.
Табл. 1. Основные энергетические параметры ЭДП _при различном числевитков_
ш, I, Цк, Рк, V,
витков А В Вт %
2 4540 0,36 1649 0,44
4 2270 0,73 1648 0,76
6 1513 1,1 1648 0,88
8 1135 1,45 1648 0,93
10 908 1,8 1647 0,95
20 454 3,3 1646 0,98
Из анализа характеристик, приведенных в табл. 1 следует, что с увеличением числа витков ш катушек величина тока I, необходимая для получения требуемого усилия ¥, падает, а мощность Рк, практически остается постоянной. Вследствие этого энергетический КПД системы ^ возрастает с увеличением числа витков. При этом, характер возрастания КПД с увеличением числа витков не везде одинаков. Так, если с увеличением ш от 2 до 6 витков ^ возрастает в два раза (от 0,44 до 0,88), то при дальнейшем увеличении числа витков КПД системы ^ возрастает незначительно. Из отмеченного следует, что оптимальное количество витков ш лежит в интервале от 4 до 6, так как дальнейшее увеличение количества витков существенно не влияет на энергетические характеристики привода, а лишь усложняет конструктивное исполнение катушек ЭДП.
Для определения рационального соотношения сторон прямоугольного сечения проводников катушек, при одинаковом числе витков ш = 4, были
рассчитаны значения тока I, мощности Pк и энергетического КПД для различных сечений c одинаковой их площадью. Результаты расчетов приведены в табл. 2, в которой ширина и высота сечения витка катушки №1, соответственно, составляет (5x10) мм, катушки №2 - (7x7) мм и катушки №3 - (10x5) мм.
Табл. 2. Параметры катушек ЭДП при различном соотношении сторон ___сечения проводника___
№ высота, ширина, I, Ц, Рк, Ц,
катушки мм мм А В Вт %
1 10 5 2270 0,73 1648 0,76
2 7 7 1200 0,38 456 0,75
3 5 10 1154 0,36 369 0,73
Как следует из результатов расчета (табл. 2), с уменьшением высоты и увеличением ширины сечения проводника катушек ток I, требуемый для достижения равного усилия F и мощности Pк, снижается. При этом, величина энергетического КПД системы ЭДП-питающий трансформатор почти не меняется с изменением формы сечения. Следовательно, лучшие характеристики имеют катушки №3 с большей величиной отношения ширины сечения проводника к его высоте.
Так как используемая нами методика для расчетов параметров ЭДП является приближенной, то она нуждалась в экспериментальной проверке. Для выбора оптимальной конструкции ЭДП, необходимо было экспериментально проверить расчетные данные и решить следующие задачи:
• Как влияет схема расположения витков в катушке на основные характеристики ЭДП?
• Какое подключение катушек ЭДП является более перспективным -при работе на притяжение или на отталкивание?
• Как влияет изменение расстояния между катушками на регулировочные характеристики ЭДП при прочих равных условиях?
Для экспериментального исследования были спроектированы и изготовлены специальный стенд и модели катушек ЭДП с различными схемами укладки в них витков.
При проектировании конструкции испытательного стенда ЭДП учитывались следующие эксплуатационные требования:
• конструкция стенда должна позволять производить испытание ЭДП при работе катушек на отталкивание и на притяжение;
• простота замены катушек ЭДП без разборки основных узлов стенда;
• возможность регулирования зазора между катушками ЭДП в пределах от 1 до 3 мм для любой схемы их подключения;
• возможность регистрации с помощью датчика кривой импульса динамического усилия между катушками во время протекания тока;
• возможность тарировки амплитудной величины усилия между катушками ЭДП:
• использование для питания катушек ЭДП конденсаторного дозатора энергии, обеспечивающего стабилизацию зарядного напряжения и широкие пределы его регулирования.
Конструктивная схема испытательного стенда показана на рис. 1. Он работает следующим образом.
Испытуемые катушки ЭДП устанавливаются на стенде горизонтально одна над другой, причем подвижная катушка 2 соединена с плунжером 3 и имеет четко фиксированное положение, а неподвижная катушка 1 может перемещаться вместе с направляющими 9, на которых она закреплена. Последнее позволяет изменять расстояние между катушками при регулировке. Кроме того, неподвижная катушка может устанавливаться, как над подвижной катушкой (при работе на отталкивание), так и под ней (при работе на притяжение). В последнем случае катушка зажимается между втулкой 8 и буртиком направляющей 9 (на рис. 1 такое положение катушки показано штрихпунктирными линиями). Таким образом, в обоих случаях усилие, возникающее между катушками, действует вертикально вниз и, через плунжер 3, осуществляет давление на пьезоэлектрический датчик усилия 4, который преобразует его в электрический сигнал [11]. Этот сигнал подается на осциллограф, на котором регистрируется кривая динамического усилия между катушками. Пружина 6 служит для предварительного поджатия датчика. Корпус датчика 4 установлен на пружине 5, сжимаемой под действием динамического усилия ЭДП. Рычаг 7 перемещается вместе с пружиной при ее сжатии и передает это перемещение к измерительному прибору 12, преобразующему величину усилия в электрический сигнал напряжения. Поскольку расстояние между катушками меняется в интервале от 1 до 3 мм, перемещение подвижной катушки при работе ограничено.
ная катушка ЭДП; 2 - подвижная катушка; 3 - плунжер; 4 - пьезоэлектрический датчик; 5 - силовая пружина; 6 - пружина; 7 - рычаг; 8 - втулка; 9 - направляющая; 10 - плита; 11 - основание; 12 - измерительный прибор
Силовая пружина 5 выбрана с такой жесткостью, чтобы ее сжатие под действием нагрузки не превышало 2 мм.
В качестве источника питания испытательного стенда используется конденсаторный дозатор энергии, подключенный к катушкам ЭДП через силовой импульсный трансформатор. Принципиальная электрическая схема стенда показана на рис. 2. Батарея конденсаторов С1в цепи питания катушек ЭДП заряжается при включении тумблера от сети через повышающий трансформатор Т1 и выпрямительное устройство ¥П1^УП4. При нажатии кнопки Б2 срабатывает реле К1, при этом размыкается нормально замкнутый контакт К1.1, тиристор УБ1 закрывается и заканчивается зарядка конденсаторов. В свою очередь, замыкается нормально разомкнутый контакт К1.2, тиристор ¥Б2 открывается, в результате чего батарея конденсаторов С1 разряжается на силовой импульсный понижающий трансформатор Т2. Диод УБ5 служит для шунтирования обратной полуволны импульса разрядного тока.
Рис.2. Принципиальная электрическая схема источника питания ЭДП
в испытательном стенде
Задача тарировки ЭДП заключается в том, чтобы, снимая с пьезоэлектрического датчика кривую усилия на осциллографе, параллельно измерять амплитудное значение этого усилия, а затем по полученным данным строить тарированный график, связывающий величину электродинамического усилия ЭДП и напряжения, подаваемого с пьезодатчика на осциллограф.
Схема тарировки ЭДП приведена на рис. 3. Тарировка ЭДП осуществляется следующим образом. Датчик 2, воспринимая динамическое усилие ЭДП 1, подает сигнал на осциллограф 4, регистрирующий кривую усилия. Одновременно корпус датчика давит на пружину 5, сжимая ее, а рычаг, поворачиваясь вслед за пружиной, перемещает движок потенциометра ре-охордного датчика измерительной системы 3. В результате вольтметр измерительной системы 3 показывает величину напряжения, соответствующую сжатию пружины.
Рис. 3. Структурная схема тарировки ЭДП: 1 - ЭДП; 2 - пьезоэлектрический датчик; 3 - измерительная система; 4 - осциллограф; 5 - силовая
пружина
Реохордный датчик измерительной системы работает по принципу мостовой схемы, что обеспечивает его высокую чувствительность. Кроме того, плечи рычага подобраны таким образом, что перемещение движка потенциометра в два раза больше перемещения пружины 5, что так же повышает чувствительность прибора. Предварительно, перед проведением экспериментальных исследований, была установлена зависимость между перемещением пружины 5, при ее сжатии, и усилием ¥, вызывавшем это перемещение.
Исследование влияния схемы расположения витков в катушках ЭДП на его основные характеристики проводилось при следующих условиях:
• число витков в каждой катушке ш = 4;
• зарядное напряжение конденсатора и = 600 В;
• емкость конденсатора С = 400 мкФ;
• расстояние между катушками Д= 1 мм;
• соединение катушек ЭДП между собой и с источником питания по схеме отталкивания.
Модели катушек изготавливались следующим образом. В текстолитовых пластинах, выполнявших роль катушек ЭДП, фрезеровались пазы с размерами сечения проводников катушек. В пазы укладывались медные жгуты из необходимого количества сложений медной проволоки особой гибкости типа ПЩ-2,5, которые заливались эпоксидным клеем, скрепляющим медные витки с корпусом катушки и одновременно выполняющим роль изолятора катушек. Принятые нами схемы укладки витков в одной плоскости в катушках ЭДП представлены на рис. 4.
Рис. 4. Схемы укладки витков катушек ЭДП
В катушке, показанной на рис.4, а, используется спиральная укладка витков, расположенных концентрично, на рис. 4, б - спиральная укладка со сменой направления каждого витка на противоположное, и на рис. 4, в -укладка витков в прямолинейные пазы. Во всех трех вариантах укладки общая длина проводника принята одинаковой.
Оценку динамических свойств ЭДП с различной конструкцией катушек производили по двум характеристикам: амплитудному значению усилия между катушками ¥ и времени ¿н нарастания усилия до максимума. Эти характеристики определялись по осциллогрммам кривых динамического усилия, развиваемого между катушками ЭДП. Как следует из сравнения результатов осциллографирования (для катушек рис. 4, а - ¥ = 11,5 даН, ¿н = 2,5 мс, рис. 4, б - ¥ = 7,0 даН, ¿н = 3,0 мс, рис. 4, в - ¥ = 3,5 даН, ¿н = 3,0 мс) лучшими динамическими свойствами обладает конструкция катушки с концентричной спиральной укладкой витков, без смены направления навивки. Эти катушки ЭДП были использованы при проведении дальнейших исследований.
Из анализа результатов исследования характеристик ЭДП, полученных при различных схемах подключения их катушек к источнику питания, следует, что при отталкивании катушек обеспечивается большая динамичность системы (¥ = 11,5 даН, ¿н = 2,5 мс) в сравнении с подключением катушек для работы на притяжение (¥ = 8,0 даН, ^ = 3,5 мс). Поэтому, все последующие исследования проведены с катушками ЭДП, работающими только на отталкивание.
На рис. 5 приведены графики основных регулировочных характеристик ЭДП - амплитудного значения динамического усилия ¥ и времени ¿н нарастания усилия до максимума - в зависимости от зарядного напряжения и конденсаторного блока источника питания и начальной величины зазора А. Зависимости получены при изменении напряжения и в диапазоне от 400 до 600 В при неизменной емкости батареи конденсаторов (С = 400 мкФ). При напряжении менее 400 В усилие снижается на столько, что ста-
новится неприемлемым для программирования импульса динамического усилия требуемой для сварки малогабаритных деталей величины.
Рис. 5. Зависимость динамических характеристик ЭДП от зарядного напряжения (U) конденсаторного блока источника питания и начальной величины зазора (Д) между катушками (С = const = 400 мкФ): - U = 600 В;
о - U = 500 В; • - U = 400 В
Как видно из графика (рис. 5), с увеличением зарядного напряжения усилие Г возрастает с темпом, зависящим от величины начального зазора А между катушками ЭДП, а время достижения амплитудного значения /н существенно не меняется. Увеличение начального расстояния (зазора) между катушками ЭДП приводит к быстрому сокращению диапазона возможной настройки динамического усилия изменением зарядного напряжения батареи конденсаторов и. Так, если изменение напряжения и от 400 до 600 В при зазоре А=1 мм сопровождается увеличением усилия с 3,5 до 11,5 даН, то при том же изменении напряжения, но начальном зазоре 3 мм, диапазон изменения усилия существенно сокращается и составляет от 2,0 до 3,5 даН. Следовательно, более эффективной является настройка усилия ЭДП изменением напряжения зарядки конденсаторного блока при минимально возможном начальном зазоре между катушками привода.
Список литературы
1. 1. Дюдин В.Н., Строев В.И., Иванов Н.И. Рациональный цикл сжатия при контактной импульсной сварке сопротивлением гальванопокрытых цветных металлов // В сб. П Всесоюзная конференция по сварке цветных металлов. Тезисы докладов. - Киев: ИЭС им. Е.О.Патона, 1982. С. 139.
2. 2. Иванов Н.И., Строев В.И., Дюдин В.Н. Рациональный цикл сжатия при контактной импульсной сварке сопротивлением цветных металлов и сплавов / В кн.: Актуальные проблемы сварки цветных металлов: Докл.11 Всесоюзн. конф. - Киев:
Наук. думка, 1985. С. 391-394.
3. Иванов Н.И., Строев В.И., Каганов Н.Л. Рациональная циклограмма процесса контактной автоматической сварки узлов резисторов // Сварочное производство. 1985. №8. С. 17-19.
4. Иванов Н.И., Чаплыгин А.Ю. Выбор механизма сжатия для контактной сварки малогабаритных деталей / Сварка и родственные технологии в машиностроении и электронике: Региональный сборник научных трудов. Выпуск 5 / Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 2003. С. 40-45.
5. 5. Иванов Н.И., Чаплыгин А.Ю. Особенности программирования переменного усилия механизма сжатия при контактной сварке малогабаритных деталей / В сб.: Материалы и упрочняющие технологии - 2003: Сборник материалов X юбилейной Российской научно-технической конференции с международным участием, посвященный 40-летию образования Курского государственного технического университета: В 2 ч. Ч.1 / Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 2003. - С. 34-41.
6. Иванов Н.И., Волков Б.В. Исследование кинетики формирования Т-образных соединений малогабаритных деталей при контактной сварке с комбинированным механизмом осадки // Известия Юго-Западного государственного университета. Сер. Техника и технология. 2012 . №2, ч. 3. С. 22-25.
7. Иванов Н.И., Шумаков А. А. Стабилизация температуры нагрева регулированием усилия осадки при конденсаторной сварке крестообразных проволочных соединений // Современные материалы, техника и технологии. 2017. № 3 (11). С. 51-59.
8. Каганов Н.Л., Исаев А.П., Строев В.И. Установка для контактной конденсаторной сварки с программированием усилия сжатия // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1974. №2. С. 170-173.
9. Холявский Г.Б. Расчет электродинамических усилий в электрических аппаратах. - Л.: Энергия, 1971. 156 с.
10. Любомирский Л.А., Хазов В.Я. Расчет электродинамического привода сварочного усилия машин контактной сварки. - Электротехническая промышленность. Серия электросварка, 1971, вып. 6, с. 24-26.
11. Строев В.И., Дюдин В.Н., Иванов Н.И. Контроль цикла сжатия при контактной автоматической сварке узлов радиодеталей // Сварочное производство. 1985. №3. С. 26-27.
12. Компьютерные технологии в сварочном производстве/ Рыжков Ф.Н., Крюков В.А., Котельников А. А.// Курск, 2000.
13. Котельников А.А., Абышев К.И., Алпеева Е.В., Компьютерное моделирование в сварочном производстве/ Брусенцев А. А.// Курск, 2013.
14. Роботизированная сварка многосортаментных трубчатых элементов/ Алпеева Т.В., Емельянов В.М., Котельников А.А.// Минобрнауки России, Федеральное гос. бюджетное образовательное учреждение высш. проф. образования "Юго-Западный гос. ун-т". Курск, 2011.
15. Применение метода конечных элементов в расчётах сварных конструкций/ Котельников А. А., Абышев К.И., Алпеева Е.В.// Курск, 2014.
16. Технологическое оборудование и оснастка в составе ртк сборки и сварки крупногабаритных узлов/ Алпеева Т.В., Котельников А.А.// Сварочное производство. 2006. № 4. С. 33-35.
17. Оптимальные параметры диффузионной сварки титановых сплавов различного фазового состава/ Гельман А. А., Колодкин Н.И., Котельников А. А., Башурин А.В.// Автоматическая сварка. 1977. № 4. С. 53-57.
18. Видеосенсорное устройство/ Котельников А. А., Дмитриев С.В.// патент на изобретение RUS 2155653 08.06.1998
19. Применение метода конечных элементов при расчете сварной двутавровой балки/ Котельников А.А., Алпеева Е.В.// В сборнике: Перспективное развитие науки, техники и технологий, материалы 3-й Международной научно-практической конференции: в 3-х томах. Ответственный редактор Горохов А.А.. 2013. С. 168-171.
20. CAD/CAM/CAE системы/ Котельников А.А.// учебное пособие / Курск, 2014.
Ivanov Nikolay Ivanovich, Candidate of Sciences, Associate Professor (e-mail: ni1949@mail.ru)
Kotov Sergey Sergeevich, the student of a magistracy Lobov Vladislav Borisovich, the student of a magistracy Southwest state university, Kursk, Russia
RESEARCH OF STRUCTURAL FEATURES AND ADJUSTING CHARACTERISTICS OF THE ELECTRODYNAMIC TRACTION MECHANISM OF THE MECHANISM OF COMPRESSION FOR CONTACT WELDING
The design of the experimental text bench which has allowed by results of lead research of adjusting characteristics of electrodynamic traction mechanisms, the small-sized details intended for contact welding designed, to pick the rational plan of a design and key parameters of regulation of an electrodynamic traction mechanism.
Keywords: condenser energy-storage welding, the mechanism of compression, an electrodynamic traction mechanism, the experimental stand, programming of force, the rated plan, the electric circuit, adjusting characteristics.
